1.1.2.Закон кулона

Основной закон взаимодействия электрических зарядов был найден Шарлем Кулоном в 1785 г. экспериментально. Кулон установил, что сила взаимодействия между двумя небольшими заряженными металлическими шариками обратно пропорциональна квадрату расстояниямежду ними и зависит от величины зарядови:

,

где - коэффициент пропорциональности. Силы, действующие на заряды, являются центральными, то есть они направлены вдоль прямой, соединяющей заряды. Для одноименных зарядов произведениеи силасоответствует взаимному отталкиванию зарядов, для разноименных зарядов, и силасоответствует взаимному притяжению зарядов.

Закон Кулона можно записать в векторной форме:

,

где - вектор силы, действующей на зарядсо стороны заряда,

- радиус-вектор, соединяющий заряд с зарядом;- модуль радиус-вектора.

Сила, действующая на заряд со стороныравна

, .

Силы, действующие на заряды, являются центральными и направлены по прямой, соединяющей заряды (рис.1.1.1).

Закон Кулона в такой форме справедлив только для взаимодействия точечных электрических зарядов, то есть таких заряженных тел, линейными размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними. Кроме того, он выражает силу взаимодействия между неподвижными электрическими зарядами, то есть это электростатический закон.

Формулировка закона Кулона:

Сила электростатического взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, и направлена по прямой, соединяющей заряды.

Коэффициент пропорциональности в законе Кулона зависит от свойств среды и выбора единиц измерения величин, входящих в формулу. Поэтомуможно представить отношением

,

где - коэффициент, зависящий только от выбора системы единиц измерения;- безразмерная величина, характеризующая электрические свойства среды, называется относительной диэлектрической проницаемостью среды. Она не зависит от выбора системы единиц измерения и равна единице в вакууме.

Тогда закон Кулона примет вид:

,

для вакуума , тогда-относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами и, находящимися друг от друга на расстоянии, меньше, чем в вакууме.

В системе СИ коэффициент , и закон Кулона имеет вид:

.

Это рационализированная запись закона Кулона. Здесь - электрическая постоянная,.

В векторной форме закон Кулона принимает вид где- вектор силы, действующей на зарядсо стороны заряда,- радиус-вектор, проведенный из зарядак заряду (рис.1.1.2 ),r –модуль радиус-вектора .

Всякое заряженное тело состоит из множества точечных электрических зарядов, поэтому электростатическая сила, с которой одно заряженное тело действует на другое, равна векторной сумме сил, приложенных ко всем точечным зарядам второго тела со стороны каждого точечного заряда первого тела.

1.1.3.Электрическое поле. Напряженность электростатического поля

Пространство, в котором находится электрический заряд, обладает определенными физическими свойствами. На всякий другой заряд, внесенный в это пространство, действуют электростатические силы Кулона. Если в каждой точке пространства действует сила, то говорят, что в этом пространстве существует силовое поле. Поле наряду с веществом является формой материи. Если поле стационарно, то есть не меняется во времени, и создается неподвижными электрическими зарядами, то такое поле называется электростатическим. Электростатика изучает только электростатические поля и взаимодействия неподвижных зарядов.

Для характеристики электрического поля вводят понятие напряженности. Напряженностью в каждой точке электрического поля называется вектор , численно равный отношению силы, с которой это поле действует на пробный положительный заряд, помещенный в данную точку, и величины этого заряда, и направленный в сторону действия силы.

Пробный заряд, который вносится в поле, предполагается точечным. Он не участвует в создании поля, которое с его помощью измеряется. Кроме того, предполагается, что этот заряд не искажает исследуемого поля, то есть он достаточно мал и не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле.

Если на пробный точечный заряд поле действует силой, то напряженность

.

Единицы напряженности в системе СИ Н/Кл=В/м.

Выражение для напряженности поля точечного заряда:

.

В векторной форме:

Здесь – радиус-вектор, проведенный из зарядаq , создающего поле, в данную точку.

Таким образом, векторы напряженности электрического поля точечного заряда q во всех точках поля направлены радиально от заряда, если он положительный (рис.1.1.3), и к заряду, если он отрицательный (рис.1.1.3).

Для графической интерпретации электрического поля вводят понятие силовой линии или линии напряженности. Это кривая, касательная в каждой точке к которой совпадает с вектором напряженности. Линия напряженности начинается на положительном заряде и заканчивается на отрицательном. Линии напряженности не пересекаются, так как в каждой точке поля вектор напряженности имеет лишь одно направление.